Lityum-iyon piller, elektronik cihazlar ve elektrikli araçlar için tercih edilen bir seçenek olabilir; ancak, bu pillerin reaktif doğası ve çevresel riskleri, bilim insanlarını çinko bazlı piller gibi alternatifler araştırmaya itiyor.
Lityum-iyon piller, taşınabilir elektronik cihazlarda yada sistemlerde ve elektrikli araçlarda kullanılan temel enerji depolama cihazlarıdır. Lityum, bir alkali metal olarak, yumuşak bir yapıya ve tüm metaller arasında en düşük yoğunluğa sahiptir. Yüksek reaktifliği, onu pil endüstrisinde çeşitli uygulamalar için değerli bir element yapar. Ancak, son derece yanıcı olması ve dikkatli kullanılmadığında ciddi çevresel tehlikelere yol açabilmesi nedeniyle, araştırmacılar çevre dostu ve yer kabuğunda daha yaygın bulunan alternatifleri aktif olarak araştırmaktadırlar. Bu alternatiflerden biri, Lityum (Li) bazlı pillere potansiyel bir alternatif olarak Çinko (Zn) bazlı elektrokimyada umut vaat eden, yaygın bulunan bir metal olan çinkodur.
Çinko, kadmiyum ve cıva gibi elementlerle birlikte periyodik tablonun 12. grubundaki geçiş metallerindendir. Atom numarası 30, atom yarıçapı 135 pm ve atom ağırlığı 65,39 olan çinkonun yoğunluğu 7,14 g/cm³'tür. Saf formunda çinko gümüş gri bir renge sahiptir, fakat havayla reaksiyona girdiğinde oksitlenir ve mat gri bir renge dönüşür. Çinko, dünyada en fazla bulunan 24. element olup, demir ve çelik yüzeylerin korozyona karşı korunması amacıyla galvanizleme işleminde sıklıkla kullanılır. Yapılan son çalışmalar, çinkonun Zn bazlı pillerde önemli bir bileşen olarak kullanılma potansiyeline sahip olduğunu ortaya koymaktadır.
İçindekiler Tablosu:
Li-ion ve Çinko Piller Arasındaki Farklar
Li-ion piller piyasayı domine ederken, çinko bazlı piller belirli uygulamalar için daha güvenli, maliyet etkin ve çevre dostu bir seçenek olarak öne çıkıyor.
Lityum bazlı piller ile çinko bazlı piller arasındaki temel farklar aşağıda açıklanmaktadır:
Kimya
Lityum bazlı piller, anot ve katotun aktif malzemesi olarak lityum bileşiklerini kullanır. Buna karşılık çinko bazlı piller, anotta çinko ve katotta manganez dioksit kullanır.
Lityum bazlı piller, lityum iyon ve polimer piller dahil, hem anotta hem de katotta aktif malzeme olarak lityum bileşiklerini kullanır. Anot genellikle lityum içeren bir bileşikle kaplanmış grafitten yapılır, katot ise lityum kobalt, lityum demir fosfat veya lityum manganez gibi bir metal oksitten oluşur. Diğer yandan, çinko-karbon ve alkalin piller gibi çinko bazlı piller, anot için çinko ve katot için manganez dioksit kullanır; elektrolit olarak ise potasyum hidroksit gibi bir alkalin çözelti kullanılır.
Lityum ve çinko bazlı pillerde genellikle anot ve katotlarda belirli malzemeler kullanılsa da, bu kategorilerde farklılıklar olabilir. Diğer pil türlerinde anot ve katotlar için tamamen farklı malzemeler kullanılır ve her pilin özellikleri ile potansiyel uygulamalarını değerlendirirken bu ayırt edici özellikleri göz önünde bulundurmak çok önemlidir.
Enerji Yoğunluğu
Lityum bazlı piller, genellikle çinko bazlı pillere göre daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip olup, bu da onlara daha fazla enerji depolama kapasitesi sağlar. Bu durum, lityum pillerin hafif ve oldukça reaktif malzemeler kullanarak önemli miktarda enerjiyi küçük bir hacimde depolayabilmesinden kaynaklanır. Diğer yandan, çinko bazlı piller, çinkonun lityuma kıyasla daha ağır ve daha az reaktif olması sebebiyle daha düşük enerji yoğunluğuna sahiptir, bu da depolayabilecekleri enerji miktarını kısıtlar.
Pilin enerji yoğunluğu, performansını belirleyen tek faktör olmamakla birlikte, pilin kapasitesi, voltajı ve iç direnci de ne kadar ve ne hızda enerji iletebileceğini etkiler. Ayrıca, farklı pil türlerinin enerji yoğunluğu, güç çıkışı ve diğer performans faktörleri arasında değişik dengelemeleri olabilir; bu da bir pilin belirli bir uygulama için uygunluğunun, sadece kimyasal bileşiminden daha fazla faktöre bağlı olduğunu gösterir.
Pil Ömrü
Lityum bazlı piller, daha fazla şarj ve deşarj döngüsüne bozulmadan dayanabildikleri için, genellikle çinko bazlı pillerden daha uzun ömürlü olurlar.
Lityum bazlı piller, anot ve katotlarında kullanılan malzemelerin sağlamlığı sayesinde, genellikle çinko bazlı pillere göre daha fazla şarj ve deşarj döngüsüne dayanıklıdır. Çinko bazlı piller, derin deşarj veya aşırı şarj gibi yüksek stres durumlarında daha hızlı bozulabilir. Pil ömrü, kullanım şekli, sıcaklık ve saklama koşulları gibi faktörlerden etkilenir. Bu yüzden, doğru pil yönetimi ve bakımı, lityum ve çinko bazlı pillerin ömrünü uzatabilir.
Güç Çıkışı
Çinko bazlı piller, lityum bazlı pillere göre daha az güç sağlar, bu nedenle uzaktan kumanda ya da el feneri gibi düşük güç gerektiren cihazlar için daha uygundur.
Çinko bazlı piller, lityum bazlı pillere göre daha düşük güç çıkışına sahiptir. Güç çıkışı, watt veya miliwatt cinsinden ölçülür ve bir pilin enerji sağlama hızını ifade eder. Lityum bazlı pillerin yüksek enerji yoğunluğu ve düşük iç direnci, onların daha hızlı ve verimli enerji sağlamasını sağlayarak daha yüksek güç çıkışına imkan tanır. Ancak, bir pilin performansını belirleyen tek faktör güç çıkışı değildir; kapasite, voltaj ve iç direnç de önemlidir. Mesela, yüksek kapasiteli bir çinko bazlı pil, düşük güç çıkışına rağmen, düşük kapasiteli bir lityum bazlı pilden daha fazla toplam enerji sağlayabilir. Dolayısıyla, bir uygulama için uygun pil seçimi, sadece kimyasal yapısının değil, performansın tüm önemli yönlerinin göz önünde bulundurulmasını gerektirir.
Pil Malzemelerinin Maliyeti
Çinko, lityumdan daha yaygın ve daha ekonomik bir malzeme olduğu için, çinko bazlı piller genellikle lityum bazlı pillere göre daha uygun fiyatlıdır.
Çinko bazlı piller, genellikle lityum bazlı pillere kıyasla daha ekonomik olmaktadır. Çinkonun yaygın bulunabilirliği ve kullanımı, onu nadir ve daha maliyetli bir element olan lityumdan daha uygun fiyatlı yapar. Ancak, bir pilin maliyeti sadece ham maddelere bağlı değildir; üretim maliyetleri, pil tasarımının karmaşıklığı ve seri üretimdeki ölçek ekonomileri de fiyatı etkiler. Üretim süreçlerindeki gelişmeler ve artan üretim hacimleri, son yıllarda lityum bazlı pillerin maliyetini düşürmüş ve çinko bazlı pillerle arasındaki maliyet farkını azaltmıştır.
Pil Güvenliği
Lityum bazlı piller, çinko bazlı pillere kıyasla aşırı ısınma ve alev alma eğiliminde daha yüksek bir risk taşır; ancak, her iki pil türü de yanlış kullanıldığında güvenlik riskleri taşıyabilir.
Lityum bazlı piller, aşırı şarj veya yüksek sıcaklık gibi koşullarda, kimyasal bileşenlerinin reaktif doğası nedeniyle ısı üretme eğilimindedir ve bu da çinko bazlı pillere kıyasla onları aşırı ısınma ve alev alma riskine daha fazla maruz bırakır. Aşırı ısınma, patlama veya yangına neden olabilecek termal kaçak reaksiyonun bir sonucudur.
Her ne kadar çinko bazlı piller genellikle aşırı ısınmaya karşı daha dirençli olsalar da, kötüye kullanım veya yanlış kullanım durumunda her iki pil türü de güvenlik riskleri taşıyabilir. Aşırı koşullara maruz kaldıklarında veya hasar aldıklarında çinko bazlı piller de alev alabilir. Pil güvenliğini sağlamak için üreticinin talimatlarına uymak, pilleri doğru bir şekilde şarj etmek ve boşaltmak, aşırı koşullardan kaçınmak ve yerel yönetmeliklere uygun olarak imha etmek büyük önem arz eder.
Çevresel Etki
Çinko, daha kolay geri dönüştürülebilir ve lityumdan daha az toksik olduğu için, çinko bazlı piller genelde lityum bazlı pillere göre daha çevre dostu olarak değerlendirilir.
Çinko bazlı pillerin geri dönüşümü nispeten basit ve ekonomiktir; çünkü çinko bol miktarda bulunur, yaygın olarak kullanılır, kolayca geri dönüştürülür ve lityuma kıyasla daha az çevresel etkiye sahiptir. Öte yandan, lityum bazlı piller, karmaşık kimyasalları ve özel geri dönüşüm süreçleri nedeniyle daha fazla zorluklar yaratır ve geri dönüşümleri daha zordur. Lityum madenciliği ve üretimi, su kaynaklarının tükenmesi ve toprak erozyonu gibi olumsuz çevresel etkilere yol açabilir. Bununla birlikte, lityum bazlı piller için daha sürdürülebilir ve verimli üretim ve geri dönüşüm yöntemleri geliştirme çabaları sürmektedir. Çinko bazlı piller genellikle lityum bazlı pillere göre daha çevre dostu olarak kabul edilirken, her pilin çevresel etkisi, tasarımı, kimyası, kullanılan malzemeler ve üretim ile geri dönüşüm süreçleri gibi çeşitli faktörlere bağlıdır.
Çinko Bazlı Pillerdeki Gelişmeler
Son yıllarda, çinko bazlı piller, lityum iyon pillerine kıyasla daha ekonomik ve sürdürülebilir bir alternatif olma potansiyeli nedeniyle pek çok araştırmanın merkezinde yer almıştır. Çinko bazlı pillerle ilgili mevcut gelişmeler aşağıdaki gibidir:
Çinko-Hava Piller
Çinko-hava pilleri, anot olarak çinko, katot olarak atmosferden alınan oksijen kullanır ve iyon transferini sağlamak için bir elektrolit içerir. Bu tür metal-hava pilleri, yüksek enerji yoğunlukları sayesinde elektrikli araçlar ve diğer pek çok uygulama için büyük potansiyele sahiptir. Şekil 1, bir çinko-hava pilinin yapısını gösteren bir diyagramdır.
Çinko İyon Piller
Çinko iyon pilleri, enerji depolamak ve serbest bırakmak için lityum iyonlarının yerine çinko iyonlarını kullanır. Çinkonun yaygın bulunması, düşük maliyeti ve çevreye olan dostluğu nedeniyle, lityum iyon pillerine karşı umut vaat eden bir alternatif olarak görülmektedir. Çinko iyon pilleri, lityum iyon pillerine kıyasla daha stabil ve uzun ömürlüdür. Şekil 2, çinko iyon pillerinin yapısını göstermektedir.
Çinko-Manganez Piller
Çinko-manganez piller, anot için çinko, katot için manganez dioksit ve alkalin bir elektrolit kullanırlar. Bu tür alkalin piller, el fenerleri ve uzaktan kumandalar gibi ev aletlerinde sıklıkla tercih edilir. Şekil 3, katot malzemesi olarak manganez dioksit içeren bir çinko bazlı pilin görselini sunmaktadır.
Çinko-Karbon Piller
Çinko-karbon piller, birincil piller arasında en eski ve en yaygın türlerden biridir. Elektrik üretimi için çinko anot, karbon katot ve elektrolit kullanırlar. Düşük enerji yoğunluklarına ve şarj edilemez olmalarına rağmen, saatler ve uzaktan kumandalar gibi düşük enerji tüketen cihazlarda sıklıkla tercih edilirler. Şekil 3, bir çinko-karbon pilinin diyagramını gösterir.
Genel olarak, çinko bazlı pillerdeki güncel gelişmeler, enerji yoğunluğunu, döngü ömrünü ve güvenliği artırmaya yöneliktir. Araştırmacılar, performansı iyileştirmek ve maliyetleri düşürmek için yeni malzemeler ve tasarımlar üzerinde de çalışmaktadırlar.
Kaynak: eepower.com | by Chetan Kumbhar
